CN115426760B - 一种高真空环境用等离子体源自启动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高真空环境用等离子体源自启动装置，包括陶瓷体、气体分配器、二级射频放电体、线槽一、线槽二、陶瓷罩、射频线圈，所述陶瓷体为沿轴线方向设置中部腔室的圆柱形回转体，所述陶瓷体至少一端设置为进气端、另一端设置为出气端，所述陶瓷体的进气端通过端盖一封闭，所述二级射频放电体同轴设置在所述陶瓷体的出气端，所述二级射频放电体的小锥端外壁与所述陶瓷体的外壁一体连接，所述陶瓷体的腔室与所述二级射频放电体的小锥孔密封连接连通，所述气体分配器设置在所述陶瓷体的出气端的腔室内部。本发明实现了高真空环境用等离子体源自启动装置启动的可靠性及等离子体沿壁面分布均匀性设计，提高了放电的效率。

Description

一种高真空环境用等离子体源自启动装置

技术领域

本申请涉及航天空间电推进技术领域，具体是一种高真空环境用等离子体源自启动装置。

背景技术

空间电推进是利用电能将推进剂电离产生等离子体，并通过静电场或电磁场加速等离子体高速排出产生反推力的装置。空间电推进推进剂电离的方式主要有两种：一是借助外加的电子源；二是借助高电压/大电流的气体击穿。但是，在实际应用中，上述两种等离子体产生方法都具有很大的局限性，无法满足具有低电压、小电流、低温、无电极、多元工质等特征电推进的应用需求，导致空间电推进的可靠性和寿命等性能难以大幅提升，且限制了空间电推进的应用领域，所以亟待解决。

发明内容

因此，本发明面向空间电推进在高真空环境对无电极、低电压、小电流、低温、适用多元工质等离子体放电自启动装置的亟需，设计了一种高真空环境用等离子体源自启动装置，以解决现有等离子休启动技术中在电推进应用条件受限、寿命短、启动慢、结构复杂等问题。

本发明的技术方案是：一种高真空环境用等离子体源自启动装置，包括：

陶瓷体，所述陶瓷体为沿轴线方向设置中部腔室的圆柱形回转体，所述陶瓷体至少一端设置为进气端、另一端设置为出气端，所述陶瓷体的进气端通过端盖一封闭，所述端盖一侧面开设与所述陶瓷体的中部腔室相连通的大口径气体入口，所述陶瓷体的出气端设置为敞口；

二级射频放电体，所述二级射频放电体为沿轴线方向设置锥孔的锥台体，所述二级射频放电体的大锥端外壁沿圆周方向设置一体连接的法兰形凸台一，所述二级射频放电体同轴设置在所述陶瓷体的出气端，所述二级射频放电体的小锥端外壁与所述陶瓷体的外壁一体连接，所述陶瓷体的腔室与所述二级射频放电体的小锥孔密封连接连通；

气体分配器，所述气体分配器设置在所述陶瓷体的出气端的腔室内部；

线槽一，所述线槽一设置在所述陶瓷体的外壁上；

线槽二，所述线槽二设置在所述二级射频放电体的外壁上；

射频线圈，所述射频线圈缠绕在所述陶瓷体的外壁上并依次嵌入所述线槽一与所述线槽二内；

陶瓷罩，所述陶瓷罩为法兰形筒体，所述陶瓷罩的前端通过端盖二封闭，后端设置为敞口，陶瓷罩后端外壁沿圆周方向设置一体连接的法兰形凸台二，所述端盖二侧面中部设置贯通的进气通孔，所述陶瓷罩从所述陶瓷体的进气端同轴套在所述射频线圈和陶瓷放电室外部，所述陶瓷罩的法兰形凸台二端面贴合所述二级射频放电体的法兰形凸台一端面固定，所述陶瓷罩的外壁开设引线孔。

上述技术方案中，进一步地，所述二级射频放电体的法兰形凸台一端面沿圆周方向均布多个螺栓孔一，所述陶瓷罩的法兰形凸台二端面沿圆周方向均布多个与所述螺栓孔一相对应的螺栓孔二，通过螺栓依次插入所述螺栓孔一与所述螺栓孔二将所述陶瓷罩与所述二级射频放电体可拆卸连接。

上述技术方案中，优选地，所述陶瓷体的腔室口径为1.2cm。

上述技术方案中，优选地，所述陶瓷体、陶瓷罩、气体分配器的材质均为陶瓷。

上述技术方案中，进一步地，所述大口径气体入口位于陶瓷体的端盖一的中心位置，所述大口径气体入口为阶梯孔，包括第一圆柱孔及与其相连通的第二圆柱孔，所述第一圆柱孔位于所述陶瓷体前端，且所述第一圆柱孔的孔径大于所述第二圆柱孔孔径。

上述技术方案中，所述第二圆柱孔的孔径小于所述气体分配器孔径的一半。

上述技术方案中，所述线槽一沿陶瓷体外部呈螺旋形环绕均匀分布，所述线槽一匝数为6～8，所述线槽二沿所述二级射频放电体的锥形外壁呈螺旋形环绕均匀分布。

上述技术方案中，优选地，所述射频线圈材质为裸铜线。

上述技术方案中，所述陶瓷罩完全包裹射频线圈。

上述技术方案中，优选地，所述气体分配器呈半球形结构，球头面朝向放电陶瓷体腔室内部；气体分配器边缘沿圆周均布多个细小的通气孔；气体分配器内嵌在陶瓷体的腔室内与其内壁固定连接。

本发明技术方案，具有如下优点：

本发明提供的高真空环境用等离子体源自启动装置，在适合的电气参数下能瞬态启动射频气体放电产生等离子体，实现了即用即启、即停即熄的操作，不受外部气压环境、气体成分、温度和材料等因素的制约，克服了传统装置长时间高温热启动等离子体的源的弊端，提升了装置应用的时效性和便捷性，极大的拓展了装置的应用领域(可用于超低轨大气环境、混合气体环境、原位资源开发等)，提升了装置寿命(避免了高热损耗、疲劳和高能粒子轰击刻蚀)；实现了自主选择推进剂气体类型、自主调节等离子体密度大小的灵活操控；实现了装置启动可靠性及等离子体沿壁面分布均匀性设计，提高了放电的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的一种高真空环境用等离子体源自启动装置的整体结构示意图。

附图标记说明：

1-大口径气体入口；2-陶瓷体；3-线槽一；4-射频线圈；5-陶瓷罩；6-引线孔；

7-气体分配器；8-二级射频放电体；9-线槽二。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1：

请参见附图1，一种高真空环境用等离子体源自启动装置，包括：

陶瓷体2，所述陶瓷体2为沿轴线方向设置中部腔室的圆柱形回转体，所述陶瓷体2至少一端设置为进气端、另一端设置为出气端，所述陶瓷体2的进气端通过端盖一封闭，所述端盖一侧面开设与所述陶瓷体2的中部腔室相连通的大口径气体入口1，所述陶瓷体2的出气端设置为敞口；

二级射频放电体8，所述二级射频放电体8为沿轴线方向设置锥孔的锥台体，所述二级射频放电体8的大锥端外壁沿圆周方向设置一体连接的法兰形凸台一，所述二级射频放电体8同轴设置在所述陶瓷体2的出气端，所述二级射频放电体8的小锥端外壁与所述陶瓷体2的外壁一体连接，所述陶瓷体2的腔室与所述二级射频放电体8的小锥孔密封连接连通；

气体分配器7，所述气体分配器7设置在所述陶瓷体2的出气端的腔室内部；

线槽一3，所述线槽一3设置在所述陶瓷体2的外壁上；

线槽二9，所述线槽二9设置在所述二级射频放电体8的外壁上；

射频线圈4，所述射频线圈4缠绕在所述陶瓷体2的外壁上并依次嵌入所述线槽一3与所述线槽二9内；

陶瓷罩5，所述陶瓷罩5为法兰形筒体，所述陶瓷罩5的前端通过端盖二封闭，后端设置为敞口，陶瓷罩5后端外壁沿圆周方向设置一体连接的法兰形凸台二，所述端盖二侧面中部设置贯通的进气通孔，所述陶瓷罩5从所述陶瓷体2的进气端同轴套在所述射频线圈4和陶瓷放电室外部，所述陶瓷罩5的法兰形凸台二端面贴合所述二级射频放电体8的法兰形凸台一端面固定，所述陶瓷罩5的外壁开设引线孔6。

上述实施例中，利用射频功率和推进剂气体的开关实现了即用即启、即停即熄的操作，克服了传统装置长时间高温热启动等离子体源的弊端，提升了装置应用的便捷性，拓展了装置的应用领域，使得本装置可用于超低轨大气环境、混合气体环境以及原位资源开发等，还可以提升装置寿命，避免了高热损耗、疲劳和高能粒子轰击刻蚀；实现了自主选择推进剂气体类型、自主调节等离子体密度大小的灵活操控，碳碳复合材料外壳和陶瓷外壳之间紧密衔接，构成一个整体，等离子体源通过隔离垫与碳碳复合材料外壳也构成一个整体。

上述实施例中，请参见附图1，所述二级射频放电体8的法兰形凸台一端面沿圆周方向均布多个螺栓孔一，所述陶瓷罩5的法兰形凸台二端面沿圆周方向均布多个与所述螺栓孔一相对应的螺栓孔二，通过螺栓依次插入所述螺栓孔一与所述螺栓孔二将所述陶瓷罩5与所述二级射频放电体8可拆卸连接，可灵活进行拆卸。采用陶瓷罩5完全包裹射频线圈，减弱了射频线圈4与外部气体或的等离子体的耦合作用，其中可拆卸结构是为了满足实际工程设计中射频线圈4结构的优化改进。

上述实施例中，请参见附图1，优选地，用于源启动放电的陶瓷体2腔室口径为1.2cm，不宜过大或过小，本实施例中的陶瓷放电腔室2是口径是理论和经验设计值，以便更快的启动推进剂气体放电；陶瓷放电腔室2屏蔽了线圈与等离子体的接触，装置完全不受推进剂的制约，满足多类型推进剂电推进的技术需求。

上述实施例中，请参见附图1，优选地，所述陶瓷体2、陶瓷罩5、气体分配器7的材质均为陶瓷或耐高温非金属。本实施例中的材料选择为陶瓷或非金属是为了满足射频放电的需求，防止射频能量被屏蔽；选择耐高温材料是为了防止结构失效，因为在长时间连续放电中，装置的热累计效应会导致局部高温。

上述实施例中，请参见附图1，具体地，所述大口径气体入口1位于陶瓷体2的端盖一的中心位置，所述大口径气体入口1为阶梯孔，包括第一圆柱孔及与其相连通的第二圆柱孔，所述第一圆柱孔位于所述陶瓷体2前端，且所述第一圆柱孔的孔径大于所述第二圆柱孔孔径，采用大口径气体入口1是为了满足不同推进剂自启动放电时对大流量推进剂质量流率的应用需求。

上述实施例中，请参见附图1，具体地，所述第二圆柱孔的孔径小于所述气体分配器7孔径的一半。

上述实施例中，请参见附图1，优选地，所述线槽一3沿陶瓷体2外部呈螺旋形环绕均匀分布，所述线槽一3匝数为6～8，优选6匝，所述线槽二9沿所述二级射频放电体8的锥形外壁呈螺旋形环绕均匀分布。

上述实施例中，优选地，所述射频线圈4为裸铜线，本发明实施例中设置线槽一3的目的是为了实现射频线圈4的固定和均匀绕线，可有效提高装置射频等离子体放电的效率。

上述实施例中，具体地，所述陶瓷罩5内壁完全包裹射频线圈4。

上述实施例中，请参见附图1，具体地，所述气体分配器7呈半球形结构，球头面朝向放电陶瓷体2腔室内部；气体分配器7边缘沿圆周均布多个细小的通气孔；气体分配器7内嵌在陶瓷体2的腔室内与其内壁固定连接，本发明实施例中气体分配器7设置为半球形，目的是为了阻挡中性气体的溢出，提高放电室内部的气压，降低等离子体放电自启动的难度，同时在放电发生时还兼具引导等离子体向外流出的功能；分配器7边缘沿圆周均布多个细小气孔，是为了满足等离子体沿壁面均匀排出的应用需求。

上述实施例中，请参见附图1，优选地，所述二级射频放电室8外壁呈喇叭口状，且其陶瓷外壁均布螺旋形分布的线槽二9，本发明实施例中设置二级射频放电室8的目的是为了离子体密度大小可调节的应用需求，能有效拓宽该装置的应用领域。

上述实施例中，等离子体放电过程具体是通过将中性气体推进剂通过大口径气体入口1进入放电陶瓷体2腔室内，在分配器7的阻挡下，放电陶瓷体2腔室内部的气压保持在较高水平，满足装置射频等离子体源放电的要求。与此同时，射频线圈4内馈入射频功率，随射频功率的增大和射频功率在等离子体中的沉积，电子被射频感应电场加速并碰撞中性气体，中性推进剂气体被迅速电离，从而实现等离子体放电。放电产生的准中性等离子体在气体分配器7的引导作用下，进入二级射频放电体的腔室内，再次进行射频放电，产生不同密度的等离子体。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种高真空环境用等离子体源自启动装置，其特征在于，包括：

陶瓷体(2)，所述陶瓷体(2)为沿轴线方向设置中部腔室的圆柱形回转体，所述陶瓷体(2)至少一端设置为进气端、另一端设置为出气端，所述陶瓷体(2)的进气端通过端盖一封闭，所述端盖一侧面开设与所述陶瓷体(2)的中部腔室相连通的大口径气体入口(1)，所述陶瓷体(2)的出气端设置为敞口；

二级射频放电体(8)，所述二级射频放电体(8)为沿轴线方向设置锥孔的锥台体，所述二级射频放电体(8)的大锥端外壁沿圆周方向设置一体连接的法兰形凸台一，所述二级射频放电体(8)同轴设置在所述陶瓷体(2)的出气端，所述二级射频放电体(8)的小锥端外壁与所述陶瓷体(2)的外壁一体连接，所述陶瓷体(2)的腔室与所述二级射频放电体(8)的小锥孔密封连接连通；

气体分配器(7)，所述气体分配器(7)设置在所述陶瓷体(2)的出气端的腔室内部；

线槽一(3)，所述线槽一(3)设置在所述陶瓷体(2)的外壁上；

线槽二(9)，所述线槽二(9)设置在所述二级射频放电体(8)的外壁上；

射频线圈(4)，所述射频线圈(4)缠绕在所述陶瓷体(2)的外壁上并依次嵌入所述线槽一(3)与所述线槽二(9)内；

陶瓷罩(5)，所述陶瓷罩(5)为法兰形筒体，所述陶瓷罩(5)的前端通过端盖二封闭，后端设置为敞口，陶瓷罩(5)后端外壁沿圆周方向设置一体连接的法兰形凸台二，所述端盖二侧面中部设置贯通的进气通孔，所述陶瓷罩(5)从所述陶瓷体(2)的进气端同轴套在所述射频线圈(4)和陶瓷放电室外部，所述陶瓷罩(5)的法兰形凸台二端面贴合所述二级射频放电体(8)的法兰形凸台一端面固定，所述陶瓷罩(5)的外壁开设引线孔(6)；

所述气体分配器(7)呈半球形结构，且球头面朝向放电陶瓷体(2)腔室内部；所述气体分配器(7)边缘沿圆周均布多个细小的通气孔；所述气体分配器(7)内嵌在陶瓷体(2)的腔室内与其内壁固定连接。

2.根据权利要求1所述的高真空环境用等离子体源自启动装置，其特征在于，所述二级射频放电体(8)的法兰形凸台一端面沿圆周方向均布多个螺栓孔一，所述陶瓷罩(5)的法兰形凸台二端面沿圆周方向均布多个与所述螺栓孔一相对应的螺栓孔二，通过螺栓依次插入所述螺栓孔一与所述螺栓孔二将所述陶瓷罩(5)与所述二级射频放电体(8)可拆卸连接。

3.根据权利要求1所述的高真空环境用等离子体源自启动装置，其特征在于，所述陶瓷体(2)的腔室口径为1.2cm。

4.根据权利要求1所述的高真空环境用等离子体源自启动装置，其特征在于，所述陶瓷体(2)、陶瓷罩(5)、气体分配器(7)的材质均为陶瓷。

5.根据权利要求1所述的高真空环境用等离子体源自启动装置，其特征在于，所述大口径气体入口(1)位于陶瓷体(2)的端盖一的中心位置，所述大口径气体入口(1)为阶梯孔，包括第一圆柱孔及与其相连通的第二圆柱孔，所述第一圆柱孔位于所述陶瓷体(2)前端，且所述第一圆柱孔的孔径大于所述第二圆柱孔孔径。

6.根据权利要求5所述的高真空环境用等离子体源自启动装置，其特征在于，所述第二圆柱孔的孔径小于所述气体分配器(7)孔径的一半。

7.根据权利要求1所述的高真空环境用等离子体源自启动装置，其特征在于，所述线槽一(3)沿陶瓷体(2)外部呈螺旋形环绕均匀分布，所述线槽一(3)匝数为6～8，所述线槽二(9)沿所述二级射频放电体(8)的锥形外壁呈螺旋形环绕均匀分布。

8.根据权利要求1所述的高真空环境用等离子体源自启动装置，其特征在于，所述射频线圈(4)材质为裸铜线。

9.根据权利要求1所述的高真空环境用等离子体源自启动装置，其特征在于，所述陶瓷罩(5)完全包裹射频线圈(4)。